ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN THUẬN NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TỐI ƯU CHO UGS TRONG WIMAX LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN THUẬN NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TỐI ƯU CHO UGS TRONG WIMAX Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu Mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS DƯƠNG LÊ MINH Hà Nội – 2015 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT…………………………………………………… DANH MỤC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Tổng quan 1.2 Các phiên WiMAX 1.3 Đặc điểm WiMAX cố định WiMAX di động 10 1.3.1 WiMAX cố định (Fixed WiMAX): 10 1.3.2 WiMAX di động (Mobile WiMAX) Error! Bookmark not defined 1.4 Các ứng dụng WiMAX Error! Bookmark not defined 1.4.1 Ứng dụng WiMAX cho mạng truy nhập Error! Bookmark not defined 1.4.2 Ứng dụng WiMAX cho mạng đường trụcError! Bookmark not defined 1.4.3 Ứng dụng WiMAX kết hợp Wi-Fi Error! Bookmark not defined 1.5 So sánh công nghệ WiMAX công nghệ khác Error! Bookmark not defined 1.5.1 WiMAX WiFi Error! Bookmark not defined 1.5.2 WiMAX 3G Error! Bookmark not defined 1.5.3 WiMAX LTE Error! Bookmark not defined CHƯƠNG II LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG WIMAX Error! Bookmark not defined 2.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 2.2 Lớp điều khiển truy cập môi trường MAC Error! Bookmark not defined 2.3 Lớp hội tụ CS Error! Bookmark not defined 2.3.1 Chức nhiệm vụ Error! Bookmark not defined 2.3.2 Kết nối, định danh kết nối CID luồng dịch vụ SF Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phân loại Error! Bookmark not defined 2.4 Lớp phần chung MAC CPS Error! Bookmark not defined 2.4.1 Địa MAC kết nối Error! Bookmark not defined 2.4.2 Định dạng MAC PDU Error! Bookmark not defined 2.4.2.1 MAC PDU chung Error! Bookmark not defined 2.4.2.2 Tiêu đề MAC PDU payload (PDU yêu cầu băng thông) Error! Bookmark not defined 2.5 Lớp bảo mật PS Error! Bookmark not defined 2.6 Quản lý chất lượng dịch vụ QoS: Error! Bookmark not defined 4 2.7 Cấu trúc khung TDD chế độ PMP Error! Bookmark not defined CHƯƠNG III CƠ CHẾ LẬP LỊCH HỖTRỢ QoS TRONG WiMAX Error! Bookmark not defined 3.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 3.2 Hỗ trợ QoS chuẩn 802.16 Error! Bookmark not defined 3.3 Cơ chế yêu cầu cấp phát băng thông Error! Bookmark not defined 3.4 Các thông số hỗ trợ QoS Error! Bookmark not defined 3.4.1 Băng thông Error! Bookmark not defined 3.4.2 Độ trễ Lacency (Delay) Error! Bookmark not defined 3.4.3 Jitter Error! Bookmark not defined 3.4.4 Tỷ số tin Packet loss Error! Bookmark not defined 3.4.5 Thông lượng 42 3.5 Phân lớp QoS Error! Bookmark not defined 3.5.1 Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS) Error! Bookmark not defined 3.5.2 Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS) Error! Bookmark not defined 3.5.3 Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS) Error! Bookmark not defined 3.5.4 Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng (ertPS) Error! Bookmark not defined 3.5.5 Dịch vụ nỗ lực tối đa (BE) Error! Bookmark not defined 3.6 Kiến trúc QoS giao thức MAC 802.16 Error! Bookmark not defined 3.7 Các thuật toán phổ biến cho lập lịch lớp MAC chuẩn 802.16 Error! Bookmark not defined 3.7.1 Thuật toán Round Robin (RR) Error! Bookmark not defined 3.7.2 First-In-First-Out (FIFO) Error! Bookmark not defined 3.7.3 Priority queue (PQ) Error! Bookmark not defined 3.7.4 Hàng đợi cân có trọng số WFQ Error! Bookmark not defined 3.7.5 Deficit Round Robin (DRR) Error! Bookmark not defined 3.7.6 Hàng đợi xoay vòng theo trọng số WRR Error! Bookmark not defined CHƯƠNG IV MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT CHO WIMAX Error! Bookmark not defined 4.1 Tổng quan: Error! Bookmark not defined 4.2 Thuật toán lập lịch Round Robin Error! Bookmark not defined 4.3 Cài đặt thử nghiệm mô Error! Bookmark not defined 4.3.1 Cấu trúc trạm BS Error! Bookmark not defined 4.3.2 Cấu trúc trạm MS Error! Bookmark not defined 4.3.3 Bộ lập lịch UL/DL Error! Bookmark not defined 5 4.4 Kịch mô Error! Bookmark not defined 4.5 Kết luận Error! Bookmark not defined 4.6 Thuật toán DRR Error! Bookmark not defined 4.7 Kết luận đánh giá Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 MỞ ĐẦU Với phát triển không ngừng khoa học công nghệ, mạng hệ phát triển mang tính chất hội tụ, đáp ứng nhu cầu thiết yếu đòi hỏi xã hội tốc độ truyền tin, độ xác đa dạng hoá loại hình dịch vụ Trong đó, truyền thông băng thông rộng ngày trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng Để đáp ứng yêu cầu đó, nhiều công nghệ nghiên cứu đời 3G, Wi-Fi, LTE, WiMAX Công nghệ trọng nhà phát triển mạng quan tâm công nghệ WiMAX Công nghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng cho vùng rộng dựa chuẩn IEEE 802.16 sử dụng băng tần thấp 66 GHz bao gồm phiên LOS NLOS Mạng truy cập không dây băng thông rộng dựa công nghệ WiMAX cung cấp dịch vụ đa phương tiện IP VoIP, điện thoại di động, truyền liệu tốc độ cao, truyền hình theo yêu cầu WiMAX có ưu vượt trội so với công nghệ cung cấp dịch vụ băng thông rộng tốc độ truyền liệu, phạm vi phủ sóng giá thấp cung cấp dịch vụ IP Để đảm bảo chất lượng truyền dẫn thông tin với lưu lượng khác nhau, nhà cung cấp thiết bị cần điều chỉnh thông số theo chuẩn IEEE 802.16 cho ứng dụng multimedia có băng thông rộng, VoIP, Video, luồng âm ứng dụng tốc độ liệu thấp lướt Web, truyền file Trong số ứng dụng truyền thông thời gian thực VoIP, thông lượng độ trễ tín hiệu quan tâm Độ trễ ứng dụng tương tác thời gian thực VoIP < 150 ms không gây vấn đề gì, giác quan người không cảm nhận độ trễ Với độ trễ từ 150-400 ms chấp nhận chất lượng Với độ trễ > 400 ms cực tệ không chấp nhận (phía nhận không xem xét tới gói tin đến trễ ngưỡng đó, gói tin coi mất) Và với kết nối (conection) với BS, kết nối có kích thước gói tin lớn, thường chiếm dụng băng thông lớn hơn, không công cho kết nối khác Để giải vấn đề này, học viên nghiên cứu thuật toán lập lịch WiMAX nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cho ứng dụng thoại VoIP, Từ cải tiến thuật toán lập lịch cụ thể, áp dụng cải tiến để xây dựng hệ thống hỗ trợ VoIP, mạng phục vụ chăm sóc khách hàng hệ thống WiMAX Vì lẽ đó, luận văn tập trung vào đề tài “Nghiên cứu thuật toán lập lịch tối ưu cho UGS WiMAX” Với nội dung nghiên cứu nêu trên, luận văn gồm có nội dung trình bày sau CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG Chương học viên trình bày tổng quan công nghệ WiMAX, phiên hỗ trợ WiMAX, đặc điểm WiMAX cố định WiMAX di động, ứng dụng WiMAX so sánh WiMAX với công nghệ khác CHƯƠNG II LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG WIMAX Chương học viên tập chung vào nghiên cứu chi tiết lớp điều khiển truy nhập MAC WiMAX Lớp MAC bao gồm ba lớp con, lớp hội tụ CS, lớp phần chung MAC CPS thực chức MAC chính, lớp phần chung lớp bảo mật Phần cuối chương II, học viên trình bày cấu trúc khung TDD chế độ PMP CHƯƠNG III CƠ CHẾ LẬP LỊCH HỖTRỢ QoS TRONG WiMAX Chương này, học viên phân tích chi tiết thông số hỗ trợ QoS cho WiMAX băng thông, độ trễ, jitter, thông lượng Sự phân lớp dịch vụ hỗ trợ WiMAX thuật toán lập lịch WiMAX CHƯƠNG IV MỘT SỐ KỸ THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT CHO WIMAX Trong chương IV học viên nghiên cứu chi tiết thuật toán RR thuật toán DRR, mô thuật toán RR từ đánh giá ưu nhược điểm thuật toán RR, đề xuất hướng cải tiến 7 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Tổng quan Sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu mạng không dây băng thông rộng tốc độ cao thúc đẩy phát triển công nghệ năm gần WiMAX từ viết tắt Worldwide Interoperability for Microwave Access - Công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng, công nghệ WiMAX dựa chuẩn IEEE 802.16, cung cấp giải pháp không dây linh hoạt cố định di dộng loạt ứng dụng khác nhau, hỗ trợ bao gồm chức đa phương tiện, với tham số chất lượng dịch vụ QoS khác Khoảng cách Hình 1.1: Miền phủ sóng công nghệ mạng không dây Diễn đàn WiMAX mô tả WiMAX công nghệ dựa chuẩn cho phép việc cung cấp dặm cuối truy cập băng rộng không dây cách thay cho cáp đường dây thuê bao DSL [1] Hình 1.2 Các thành viên Forum WiMAX [8] Các kiến trúc IEEE 802.16 bao gồm trạm gốc BS nhiều trạm thuê bao SS BS đóng vai trò thực thể trung tâm để chuyển tất liệu từ SS chế độ PMP điểm đến đa điểm Truyền dẫn diễn thông qua hai kênh độc lập: Kênh Downlink (từ BS đến SS) kênh Uplink (từ SS đến BS) Kênh Uplink chia sẻ tất SS kênh đường xuống Downlink sử dụng BS Lớp vật lý IEEE 802.16, tốc độ liệu phụ thuộc vào băng thông kỹ thuật điều chế, việc sử dụng OFDM cho kết nối tốc độ cao cho trạm cố định di động Các giao thức lớp MAC định nghĩa song công phân chia tần số FDD song công phân chia theo thời gian TDD cho kết nối Các kiến trúc bao gồm hai thành phần, trạm gốc (BS) số Dịch vụ (SS) với hai hướng truyền thông Thứ đường xuống (DL) truyền từ BS đến SS, thực phương pháp tiếp cận PMP, thứ hai hướng đường lên (UL) Các kênh UL chung cho tất nút khe thời gian thông qua phương pháp TDD sở nhu cầu liệu đa phương tiện Internet Các thuê bao Khu dân cư Mạng điện thoại công cộng Các thuê bao Di động Các thuê bao Văn phòng Hình 1.3 Kiến trúc mạng IEEE 802.16 kết nối điểm đa điểm (PMP)[6] Nhóm IEEE 802.16 ban hành tiêu chuẩn dải 10-66 GHz cho truyền thông tầm nhìn thẳng LOS dải 2-11 GHz cho truyền thông tầm nhìn thẳng NLOS [3] 9 Hình 1.4: WiMAX làm việc [4] Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ QoS, hỗ trợ bốn loại luồng dịch vụ thời gian thực phi thời gian thực tầng MAC với yêu cầu QoS khác nhau: Dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS): UGS thiết kế hỗ trợ luồng dịch vụ thời gian thực, dịch vụ hỗ trợ tốc độ BIT không đổi (CBR), ứng dụng Voice IP, ứng dụng yêu cầu phân bổ băng thông không đổi Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS): Các ứng dụng có yêu cầu băng thông cụ thể độ trễ lớn nhất, ứng dụng MPEG video Dịch vụ hỗ trợ cho ứng dụng có tốc độ BIT thay đổi định kỳ theo thời gian Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS): Dịch vụ cho luồng thời gian thực, đòi hỏi tốt dịch vụ Best Effort ví dụ truyền tập tin băng thông cao Các ứng dụng không cần thời gian thực đòi hỏi cấp phát băng thông tối thiểu FTP, HTTP (trình duyệt Web) Nỗ lực tốt (BE): dịch vụ BE thiết kế để hỗ trợ luồng liệu mà không cần đảm bảo QoS ứng dụng HTTP [3] 1.2 Các phiên WiMAX Các phiên IEEE 802.16, 802.16-2004 (trước gọi sửa đổi D, hay 802.16d), phê chuẩn vào tháng năm 2004, 802.16-2004 tiêu chuẩn phạm vi rộng, bao gồm phiên trước (802.16-2001, 802.16c vào năm 2002, 802.16a vào năm 2003) bao gồm LOS NLOS ứng dụng tần số 2-66 GHz Các tiêu chuẩn IEEE, tập chung chủ yếu vào lớp MAC lớp vật lý (PHY) 10 Những thay đổi đưa vào 802.16-2004 tập trung vào ứng dụng cố định lưu trú tần số 2-11 GHz Hai kỹ thuật điều chế đa sóng mang hỗ trợ 802.16-2004: OFDM với 256 sóng mang OFDMA với 2048 sóng mang [5] Bảng 1.1 mô tả tóm tắt đặc trưng chuẩn 802.16: Ngày hoàn 802.16 802.16a/ 802.16REVd 802.16e thiện Tháng 12 năm 802.16a: tháng năm 2003 Năm 2005 2001 802.16REVd: năm 2004 10 đến 66 Ghz [...]... Đức, “Giáo trình thông tin di động”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2007 [8] Nongjun Li ,“Overview of WiMax Technical and Application Analysis”, TURKU UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES, 18/05/2011 [9] Senza Fili (2005), Fixed, nomadic, portable and mobile applications for 802.162004 and 802.16e WiMAX networks, WIMAX Forum [10] WiMAX Forum (2006), WiMAX Forum Mobile Certification Profile v1.0 [11] Vadaliya... University of Ljubljana, Slovenia [5] Prepared by Senza Fili Consulting on behalf of the WIMAX Forum, “Fixed, nomadic, portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16e WiMAX networks”, 2005 [6] G.S Paschos, I Papapanagiotou, C.G Argyropoulos and S.A Kotsopoulos, “A Heuristic Strategy for IEEE 802.16 WiMAX scheduler for Quality of Service” [7] Phạm Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng,... Collaboration with NIST, WiMAX Forum System Level Simulator NS-2 MAC+PHY Add-On for WiMAX (IEEE 802.16), March 2009 [22] Rohit Talwalkar, “Analysis of Quality of Service (QoS) in WiMAX Networks”, Florida Atlantic University, 2008 [23] C Ravichandiran, Dr C Pethuru Raj, Dr V Vaidhyanathan, “Analysis, Modification, and Implementation(AMI) of Scheduling Algorithm for the IEEE 802.116e (Mobile WiMAX) ”, International... Abbas, Tofik Ali Chouhan, “Performance Evaluation of Fixed and Mobile WiMAX Networks for UDP Traffic”, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, October 2012 [20] Davide Astuti, “Packet Handling Seminar on Transport of Multimedia Streams in Wireless Internet”, Department of Computer Science University of Helsinki, Helsinki, Finland [21] AWG, WIMAX Forum, In... OVERVIEW OF WiMAX TECHNOLOGY Broad Band Access to the Last Mile”, Nov-Dec 2012 [12] Ramjee Prasad, Fernando J Velez, WiMAX Networks Techno-Economic Vision and Challenges”, 2010 [13] Professor Thong Nguyen, “802.16 MAC Layer Scheduling and its Effect on TCP performance”, University of Technology Sydney (UTS) AUSTRALIA [14] Tarik ANOUARI, Abdelkrim HAQIQ, “Performance Analysis of VoIP Traffic in WiMAX using... M¨uller, Hamid R Sharif, WiMAX security and quality of service an end to end perspective”, A John Wiley and Sons, Ltd., Publication, 2010 [2] Ayman Khalil and Adlen Ksentini, “Classification of the Uplink Scheduling Algorithms in IEEE 802.16” [3] Vandana Singh Vinod Sharma, “Efficient and Fair Scheduling of Uplink and Downlink in IEEE 802.16 OFDMA Networks” [4] Sanida Omerovic, WiMax Overview”, Faculty... International Journal of Computer Science and Information Security, 2010 [24] http://nchc.dl.sourceforge.net/sourceforge/nsnam/ns-allinone-2.31.tar.gz [25] https://github.com/barun-saha/ns2 -wimax- bluetooth-wsn/blob/master/ns-2.34/ns2.31 -WiMAX_ AATG_R2.6.patch.3 [26] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems,IEEE STD 802.16-2004 ... Department of Electrical & Computer System Engineering Monash University, 2006 [16] ALI HEIDARI KHOEI, GHASEM MIRJALILY AND MEHDI AGHA SARRAM, “IMPROVING THE QUALITY OF SERVICES BY SCHEDULING ALGORITHMS IN WIMAX NETWORKS”, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Yazd University, Yazd, Iran, 2014 [17] Chuck Semeria, “Supporting Differentiated Service Classes: Queue Scheduling Disciplines”, Juniper